楊倩 劉婧怡 殷筱蕊

摘要：新能源電池已經(jīng)出現(xiàn)了鋰電池，鎳氫電池等。石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的硬度最高、韌性最強(qiáng)的納米材料。國(guó)家對(duì)這一新出來(lái)的材料抱有較大的期待，中國(guó)科技園、科學(xué)院？、國(guó)家自然基金等都為研究石墨烯投入了大量資金，一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)此新能源也非常感興趣，發(fā)布了一系列的戰(zhàn)略。經(jīng)過(guò)問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然好多人對(duì)石墨烯不夠了解，但在了解后對(duì)石墨烯電池的出現(xiàn)抱有很大的期望。若真能發(fā)展出石墨烯電池，那么將會(huì)出現(xiàn)一次新的工業(yè)革命。

關(guān)鍵詞：石墨烯；扶持政策；中外

一、新能源電池的分類(lèi)及應(yīng)用情況

電池從廣義上講主要可分為化學(xué)電池、物理電池和生物電池三大類(lèi)，其中化學(xué)電池和物理電池已經(jīng)應(yīng)用于量產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)中，而生物電池則被視為未來(lái)電動(dòng)車(chē)電池的重要發(fā)展方向之一。

（一）化學(xué)電池

化學(xué)電池是目前電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的電池種類(lèi)，如鎳氫電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池、燃料電池等都屬于這一范疇。

鎳氫電池更注重充放電控制。鎳氫電池是目前除鋰電池外另一主流電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池種類(lèi)。由于其電池單體電壓僅是鋰電池的1/3，因此在需求電壓一定的情況下，其電池組的體積要比鋰電池大上一些。與鋰電池一樣，鎳氫電池也需要電池管理系統(tǒng)，不過(guò)其更注重電池的充放電管理。

鋰電池是目前電動(dòng)車(chē)上最常用的電池種類(lèi)之一，雖然其從1970年誕生至今時(shí)間并不算長(zhǎng)，但憑借能量密度高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)迅速占據(jù)了電動(dòng)汽車(chē)電池市場(chǎng)的絕大部分江山。

相比于早期的錳酸鋰電池，磷酸鐵鋰電池在能量密度上并未有太大差別。但其熱穩(wěn)定性是目前車(chē)用鋰電池中最好的。換而言之，磷酸鐵鋰電池的安全性在鋰電池中首屈一指，也正因如此，其也成為目前電動(dòng)車(chē)電池的主要門(mén)類(lèi)之一。

三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池相比，三元鋰電池在重量能量密度上要高出許多，這也就意味著同樣重量的三元鋰電池比磷酸鐵鋰電池的續(xù)航里程更長(zhǎng)。不過(guò)其對(duì)電池管理系統(tǒng)提出極高的要求，需要為每節(jié)電池分別加裝保險(xiǎn)裝置，除此之外，由于單體體積很小，所以單車(chē)要的電池單體數(shù)量非常龐大，這無(wú)疑又為電池管理系統(tǒng)進(jìn)一步加大了控制難度。

燃料電池是未來(lái)汽車(chē)最理想能源。燃料電池其實(shí)不是“電池”，準(zhǔn)確地說(shuō)是一個(gè)大的發(fā)電系統(tǒng)。理論上講，燃料電池能采用的燃料種類(lèi)很多，甚至是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)所用燃料均可，不過(guò)真正能起電化學(xué)反應(yīng)的，僅僅是其中的氫和氧化劑中的氧，因此，氫燃料電池是目前燃料電池的研究核心。

（二）物理電池

物理電池顧名思義，就是依靠物理變化來(lái)提供、儲(chǔ)存電能的電池統(tǒng)稱(chēng)，如超級(jí)電容、飛輪電池等都屬于物理電池的家族成員。

功率密度高但電池容量小，是一種介于傳統(tǒng)電容與電池之間的電源元件，其主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲(chǔ)存電能，期間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此被歸為物理電池的范疇。與之前所介紹的化學(xué)電池相比，超級(jí)電容有三大明顯優(yōu)勢(shì)，首先，其反復(fù)充放電達(dá)數(shù)十萬(wàn)次（傳統(tǒng)化學(xué)電池只有幾百至幾千次），壽命要比化學(xué)電池高出很多；其次，超級(jí)電容在充放電時(shí)的功率密度極高，瞬間可放出大量電能，可滿足車(chē)輛更加寬泛的電力需求；第三，工作環(huán)境適應(yīng)能力更佳，通常室外溫度在-40℃-65℃時(shí)，其都能穩(wěn)定正常工作（傳統(tǒng)電池一般為-20℃～60℃）。有人預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)的電池已經(jīng)過(guò)時(shí)，未來(lái)以超級(jí)電容器為動(dòng)力系統(tǒng)的新型汽車(chē)將取而代之。

其中，石墨烯電池是這次研究的重點(diǎn)。石墨烯電池利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出的一種新能源電池。電池技術(shù)是電動(dòng)汽車(chē)大力推廣和發(fā)展的最大門(mén)檻，而目前的電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲(chǔ)能設(shè)備的研制成功后，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的變革。

（三）生物電池

生物電池是指將生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，生物電池可將底物直接轉(zhuǎn)換成電能，保重了高的能量轉(zhuǎn)換效率，且不需進(jìn)行廢氣處理，具有生物相容性。它們的主要差別是反映的場(chǎng)所不同。分別是“于生物體內(nèi)”，“于生物體外”以及“于生物體細(xì)胞外”。

二、石墨烯電池產(chǎn)業(yè)相關(guān)國(guó)家扶持政策

（一）國(guó)內(nèi)國(guó)家扶持政策

近幾年，石墨烯產(chǎn)業(yè)受到全球的關(guān)注，中國(guó)對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)也抱有很大的期望。雖然目前大部分石墨烯產(chǎn)業(yè)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，從具體到生產(chǎn)線和規(guī)?；€需要一定的時(shí)間。國(guó)家為了推動(dòng)這一新材料的實(shí)際應(yīng)用，政府更傾向于成立產(chǎn)業(yè)基金。中央政府出資額應(yīng)會(huì)達(dá)到總出資額的1/5。

2007年到2012年，中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)石墨烯科研項(xiàng)目的自主達(dá)到3.3億元；科技部與中國(guó)科學(xué)院累計(jì)資助金額分別達(dá)到5915萬(wàn)元和4605萬(wàn)元。各地方政府也開(kāi)始建設(shè)石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)，如江蘇常州在2011年投入5000萬(wàn)成立江南石墨烯科技產(chǎn)業(yè)園，寧波市2013年投入9000萬(wàn)支持石墨烯技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)，無(wú)錫市也投入2億元支持石墨烯的發(fā)展。2013年山東省石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟相繼成立，青島、濟(jì)寧等地的石墨烯產(chǎn)業(yè)園、創(chuàng)新基地及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟漸漸成立，也相繼出臺(tái)了相關(guān)的發(fā)展規(guī)劃綱要，大大推動(dòng)了石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

自2009年起，中國(guó)科學(xué)院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金等相繼啟動(dòng)了多個(gè)石墨烯研究項(xiàng)目，如：863計(jì)劃納米材料與器件主題“石墨烯的控制制備及其在光電領(lǐng)域的應(yīng)用”課題等。2007年至2013年間，中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金共資助石墨烯項(xiàng)目1096項(xiàng)。

2012年，工信部在《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，提到了石墨烯材料，2015年，工信部和財(cái)政部發(fā)布《關(guān)鍵材料升級(jí)換代工程實(shí)施方案》提出石墨烯等重點(diǎn)新材料實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用。

2014年10月珠海市人民政府與中國(guó)碳谷有限公司簽署戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，計(jì)劃在未來(lái)5到10年內(nèi)大規(guī)模引入以石墨烯為代表的碳素材料科研專(zhuān)家和有關(guān)的龍頭企業(yè)，并建立高新區(qū)碳谷產(chǎn)業(yè)區(qū)和低碳智慧文化小鎮(zhèn)等。

2015年我國(guó)政府提出石墨烯將會(huì)在2016年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用。中國(guó)國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部和工信部發(fā)布的《關(guān)鍵材料升級(jí)換代工程實(shí)施方案》提出，到了2016年，推動(dòng)新一代的節(jié)能環(huán)保、信息技術(shù)、海洋工程和先進(jìn)軌道交通裝備等產(chǎn)業(yè)發(fā)展急切需要的石墨烯等20多種重點(diǎn)新材料，實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用。國(guó)家發(fā)改委、工信部在商量討論出臺(tái)新材料重大研究計(jì)劃時(shí)，也曾多次組織對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)的調(diào)研。

預(yù)計(jì)到了2020年，石墨烯在未來(lái)發(fā)展可能趨向于柔性發(fā)展，如太陽(yáng)能、高性能芯片等方面。（見(jiàn)表1）

（二）國(guó)外的扶持政策

2007 年，日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)資助了石墨烯材料和器件的技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，主要開(kāi)發(fā)“石墨烯/硅材料”工藝技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)先進(jìn)的輔助開(kāi)關(guān)器件和等離子共振赫茲器件。

2008 年，美國(guó)投資2200 萬(wàn)美元，用于研發(fā)超高速和低耗能的石墨烯晶體管，在研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化方面至少有10 多家公司取得了新的拓展。

2011 年，美國(guó)能源部發(fā)布2011 版《關(guān)鍵材料戰(zhàn)略》，將石墨材料、石墨烯作為重要部分進(jìn)行闡述。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省實(shí)施超輕、高輕度創(chuàng)新融合材料項(xiàng)目，投入了9 億日元用于研究碳納米管和石墨烯的批量合成技術(shù)，研究期間為2011-2016 年。

2012 年，英國(guó)又追加2150 萬(wàn)英鎊資助石墨烯的商業(yè)化探索研究，用于支持尖端研究項(xiàng)目以發(fā)現(xiàn)石墨烯的日常用途。

2013 年，歐盟委員會(huì)推出“未來(lái)新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，計(jì)劃資助10 億歐元用于石墨烯研發(fā)，將組織17 個(gè)國(guó)家學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的126 個(gè)研究組開(kāi)展合作研究，并計(jì)劃在項(xiàng)目啟動(dòng)后通過(guò)公開(kāi)征集的方式進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，再吸引20～30個(gè)研究組，以加強(qiáng)在工程領(lǐng)域的研究能力。由英國(guó)公司牽頭啟動(dòng)了歐盟多方合作項(xiàng)目PolyGraph 項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)提供工業(yè)規(guī)模量的石墨烯增強(qiáng)熱固性聚合物（TSP）技術(shù)。韓國(guó)產(chǎn)業(yè)通商資源部宣布，在未來(lái)6 年內(nèi)投入4230 萬(wàn)美元，用于支持企業(yè)實(shí)現(xiàn)石墨烯的應(yīng)用產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)商業(yè)化。

2014 年，英國(guó)在曼徹斯特大學(xué)建立國(guó)家石墨烯研究院的基礎(chǔ)上，為加速石墨烯的應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)，在曼徹斯特大學(xué)投資6000 萬(wàn)英鎊，成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國(guó)家石墨烯研究院的補(bǔ)充。（見(jiàn)表2）

三、小結(jié)與對(duì)策

石墨烯雖然目前大多產(chǎn)品還尚在研究中，但由于其不一般的特性，一旦開(kāi)始進(jìn)行批量生產(chǎn)，將會(huì)產(chǎn)生一次新的工業(yè)革命。對(duì)于石墨烯材料的發(fā)展，目前沒(méi)有一個(gè)企業(yè)可以與科研單位對(duì)接，只能自產(chǎn)自銷(xiāo)，若是政府可以對(duì)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行財(cái)政支持，促使企業(yè)對(duì)石墨烯產(chǎn)品批量生產(chǎn)，打開(kāi)市場(chǎng)，或許未來(lái)石墨烯產(chǎn)品可以受到大家的關(guān)注，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出石墨烯電池，在新能源電池中占得一席之地。

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指導(dǎo)老師：財(cái)經(jīng)學(xué)院 鄢軍